Nghiên cứu thiết kế thiết bị trồng rau mầm tự động ICTU_ASM_2019

Bài viết tập trung nghiên cứu, xây dựng một thiết bị trồng rau mầm tự động sử dụng công nghệ trồng rau không cần đất. Giống rau mầm có thể được trồng trên giá chứa đầy đủ chất dinh dưỡng và có các điều kiện thích hợp cho cây phát triển.

ISSN: 1859-2171 e-ISSN: 2615-9562 TNU Journal of Science and Technology 204(11): 39 - 45 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRỒNG RAU MẦM TỰ ĐỘNG ICTU_ASM_2019 Lê Hoàng Hiệp*, Nguyễn Thị Dung, Đỗ Đình Lực, Dương Thị Quy, Lương Thị Minh Huế, Đào Trần Chung Trường Đại học Công nghệ thơng tin & Truyền thơng – ĐH Thái Ngun TĨM TẮT Trong báo nhóm tác giả tập trung nghiên cứu, xây dựng thiết bị trồng rau mầm tự động sử dụng công nghệ trồng rau không cần đất Giống rau mầm trồng giá chứa đầy đủ chất dinh dưỡng có điều kiện thích hợp cho phát triển Thiết kế khí thiết bị cho phép hệ thống điều chỉnh ánh sáng, tưới nước tự động theo lịch đặt trước để đảm bảo hạt giống phát triển tốt giai đoạn nảy mầm Phần thiết kế máy nhỏ gọn phù hợp với không gian nhà đô thị, tận dụng khoảng khơng gian để ươm, trồng rau mầm Từ khóa: Máy trồng rau mầm tự động; Thiết bị trồng rau mầm tự động; Trồng rau công nghệ cao; Máy trồng rau mầm sạch; Thiết bị trồng rau mầm điện tử Ngày nhận bài: 16/5/2019; Ngày hoàn thiện: 28/6/2019;Ngày đăng: 26/7/2019 STUDY TO DESIGN OF AUTOMATIC BEAN SPROUT GROWING MACHINE ICTU_ASM_2019 Le Hoang Hiep*, Nguyen Thi Dung, Do Dinh Luc, Duong Thi Quy, Luong Thi Minh Hue, Dao Tran Chung University of Information and Communication Technology – TNU ABSTRACT This paper presents results of designing and realizing an automatic sprouts growing device using technology for growing vegetables without soil Sprouts and vegetables can be grown on prices that can contain sufficient nutrients and conditions suitable for growing plants The mechanical design of the device allows the use of automatic light adjustment systems, automatic watering or preset schedules to ensure the best seed development in the germination period The compact design is suitable for urban housing space, taking advantage of all possible space to pant sprouts Keywords: Sprouts machine; Equipment for growing sprouts; Growing high-tech vegetables; Clean sprouts machine; Automatic sprouting equipment Received: 16/5/2019; Revised: 28/6/2019; Published: 26/7/2019 * Corresponding author Email: lhhiep@ictu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 39 Lê Hồng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Giới thiệu Hiện q trình thị hóa diễn với tốc độ nhanh chóng, diện tích đất sản xuất nơng nghiệp thành phố ngày thu hẹp Bên cạnh đó, mật độ dân số thị, thành phố cao dẫn đến nhu cầu lương thực, thực phẩm lớn đặc biệt nhu cầu rau Việc lạm dụng hoá chất thuốc bảo vệ thực vật, phân bón sản xuất rau nhiễm môi trường hoạt động sản xuất công nghiệp dẫn tới tình trạng rau sản xuất bị nhiễm bẩn, nhiễm hóa chất, vi sinh vật… gây ảnh hưởng tới chất lượng nơng sản Do cần thiết để tìm phương pháp, thiết bị sản xuất thực phẩm nông nghiệp để cung cấp cho người dân Trên thị trường có nhiều máy/thiết bị hãng thiết kế cho việc trồng rau mầm, nhiên nhược điểm giá thành cao, đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức cơng nghệ, khó sử dụng chế độ bảo hành phức tạp Vì vậy, ý tưởng thiết kế "Thiết bị trồng rau mầm tự động ICTU_ASM_2019" giải pháp mà nhóm tác giả đưa nhằm khắc phục nhược điểm loại máy nhập ngoại giá thành rẻ, dễ sử dụng, thân thiện với môi trường, thiết kế đơn giản, xuất cao; giúp người dân khơng giải nhu cầu rau mà thu giá trị tinh thần thư giãn sau làm việc, học tập căng thẳng, giảm stress thông qua hoạt động làm vườn, mang lại lợi ích to lớn mặt khoa học kinh tế, ứng dụng rộng rãi công nghệ kỹ thuật đại kết hợp với công nghệ sinh học vào phục vụ ngành nông nghiệp [1] Đồng thời nhóm tác giả hy vọng nghiên cứu động lực thức đẩy nghiên cứu có tính ứng dụng tốt vào thực tiễn phục vụ phát triển kinh tế, đời sống xã hội Mục đích nghiên cứu là: - Phân tích, thiết kế chế tạo ứng dụng công nghệ truyền thông để xây dựng thiết bị trồng rau mầm tự động dựa vào vi điều khiển 40 204(11): 39 - 45 để máy vận hành điều chỉnh độ ẩm theo lịch đặt trước phù hợp với phát triển loại rau mầm - Sản phẩm (thiết bị) nghiên cứu sau hoàn thành khắc phục nhược điểm máy, thiết bị ươm trồng rau mầm có thương mại hóa thị trường Phân tích, thiết kế module cần thiết cho thiết bị trồng rau mầm tự động Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng Kit vi điều khiển Arduino để thiết kế, xây dựng module cần thiết cho thiết bị [2] Arduino board mạch vi xử lý, dùng để xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường dễ dàng, thuận lợi Phần cứng Arduino bao gồm board mạch với nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM Atmel 32-bit Những mẫu trang bị bao gồm cổng giao tiếp USB, sáu chân đầu vào analog 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác Hình Micro USB ATmega328P Development Board for Arduino UNO R3 2.1 Sơ đồ nguyên lý module điều khiển trung tâm Trong hình 2, module xử lý trung tâm sử dụng kit Arduino làm xử lý hệ thống Khi làm việc người dùng cài đặt thời gian phun sương cho hệ thống cho phù hợp với loại giống rau mầm Trong http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Lê Hồng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN trình hoạt động kit Arduino nhận thông số, thông tin liệu độ ẩm, ánh sáng từ hệ thống điều chỉnh ánh sáng, độ ẩm, thời gian thực chip xử lý sau xử lý liệu hiển thị lên hình LCD Sau nhận liệu, xử lý liệu Kit Arduino điều thực thi chương trình gửi lệnh điều khiển qua Rơle điều khiển động cơ, thiết bị để đáp ứng phù hợp với liệu đầu vào 204(11): 39 - 45 thiết bị IC tích hợp cho thời gian chuẩn xác tuyệt đối xử lý tham số thời gian như: Thứ, ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây DS1307 chế tạo hãng Dallas Chip có bảy ghi bit, ghi chứa thông số: Thứ, ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây Ngồi DS1307 chứa ghi điều khiển ngõ phụ 56 ghi trống Các ghi dùng vai trò RAM DS1307 đọc số liệu thơng qua chuẩn truyền thơng I2C Hình Sơ đồ ngun lý khối điều khiển Sơ đồ giải thuật điều khiển hệ thống thiết kế minh họa Hình 3: Hình Sơ đồ ngun lý DS1307 Với DS1307, giao tiếp với vi điều khiển qua đường truyền SCL SDA nên vi xử lý cần phải xác định chân vi xử lý có SCL SDA để nối với DS1307 với dòng PIC, AVR với dòng Psoc có khác tùy theo kiểu Fimware hay Harware mà chân SDA SCL nằm chân thiết lập phần mềm Hình Sơ đồ giải thuật hệ thống thiết bị trồng rau mầm Xây dựng thiết kế module thời gian thực: DS1307 loại chip thời gian thực hay gọi RTC (Read Time Clock) Đây http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Hình Sơ đồ nguyên lý ghép nối với kit điều khiển 2.2 Xây dựng thiết kế module cảm biến độ ẩm Cảm biến độ ẩm đất linh kiện điên tử để đo độ ẩm môi trường đât khộng khí Nó 41 Lê Hồng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN đời để đáp ứng khu cầu đo độ ẩm nhiều môi trường khác đảm bảo độ xác thay cho hạn chế cảm biến độ ẩm, khơng khí Trong liệu ngõ cảm biến độ ẩm đất có hai dạng tương tự dạng số 204(11): 39 - 45 2.4 Xây dựng thiết kế module cảm biến ánh sáng Module cảm biến ánh sáng kết nối với Arduino Hình Tín hiệu số đưa đến chân 10 Arduino để đọc diệu lên xử lý lệnh đóng ngắt rơ le để điểu chỉnh ánh sáng Hình Thiết bị cảm biến độ ẩm đất Nguyên lý hoạt động: + Cảm biến độ ẩm đất cảm biến trở kháng Khi độ ẩm thay đổi, trở kháng cảm biến thay đổi từ - 10k (Ω) Do vậy, để đo độ ẩm người ta thiết kế mạch đo điện trở kháng cảm biến Trong thực tế, module cảm biến độ ẩm đất ghép với mạch IC so sánh LM393 Khi giá trị trở kháng cảm biến độ ẩm đất thay đổi làm thay đổi tín hiệu đầu LM393 Như qua mạch phân áp cảm biến độ ẩm điện trở khoảng 10K ta thu giá trị tương tự cảm biến độ ẩm đất dải từ 0v đến Vcc Ở đầu LM393 dạng số mức Ta thu tín hiệu số cảm biến độ ẩm đất 2.3 Kết nối module cảm biến độ ẩm với Kit Arduino Module cảm biến độ ẩm kết nối với Arduino mô tả Hình Tín hiệu tương tự đưa đến chân A0 tín hiệu số đưa đến chân D2 Arduino để đọc diệu lên LCD xử lý lệnh để điểu chỉnh độ ẩm Hình Hình ảnh thực tế sơ đồ kết nối cảm biến ánh sáng với Kit Arduino Thiết kế, lắp đặt phần khí cho thiết bị 3.1 Phần khung thiết bị trồng rau mầm Phần khung thiết bị thiết kế, lắp đặt Hình gồm ba tầng, dài 1.2 m, rộng 0,6 m cao 1.5 m Khung lắp ghép lại sắt nhựa, kết hợp với tạo thành hệ thống giá đỡ cho khay rau mầm đặt lên Hình Khung thiết bị 3.2 Hệ thơng phun sương tạo độ ẩm [3] Hình Ghép nối cảm biến độ ẩm đất với kit điều khiển 42 Đối với rau mầm, việc cung cấp nước quan trọng cho việc sinh trưởng phát triển ngày đầu Tuy nhiên lượng nước cung cấp nhiều hay lại tùy http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Lê Hồng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN thuộc vào nhiều yếu tố hạt giống, điều kiện khí hậu vùng miền theo mùa,… cần lượng nước khác Với hệ thống việc điều chỉnh độ ẩm cho mầm trở nên thuận tiện, sử dụng dễ dàng, an toàn Hệ thống điều chỉnh độ ẩm thiết bị Hình 10 Hình 11 bao gồm hệ thống vòi phun sương máy bơm mini 204(11): 39 - 45 Việc lựa chọn máy bơm cho hệ thống quan trọng, cần phải lựa chọn loại máy bơm cho phù hợp với lượng nước cung cấp cho hệ thống cần đầy đủ thường xuyên, đồng thời ứng với loại rau mầm mà công suất phun sương tạo độ ẩm khác Qua khảo sát ứng với đặc thù điển hình cho hai loại rau mầm rau mầm trắng (giá đỗ) rau mầm xanh (rau cải) thiết bị Nhóm tác giả lựa chọn máy bơm mini với thông số sau:  Điện áp sử dụng: 12V  Dòng điện chiều DC  Cơng suất sử dụng 10W Hình 10 Dây dẫn phun sương trước sau lắp đặt Với kích thước máy gồm ba tầng tầng đặt sáu giá rau mầm, để cung cấp đủ đồng nước cho hệ thống cần sử dụng ba vòi phun sương cho tầng ứng với hệ thống máy cần chín vòi phun đảm bảo tưới đặn, tỏa đến tất khay trồng tầng Đầu phun sương thiết kế nhỏ gọn phun sương mịn, điều chỉnh lượng sương phạm vi tỏa sương phun Vì khơng lo mầm bị dập tưới mà đảo bảo đủ nước cho sinh trưởng, phát triển Hệ thống dây dẫn phun sương lắp đặt bên lòng khung nên gọn gàng, chắn, khơng lo rò rỉ nước gây lãng phí Hình 11 Máy bơm mini http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn  Công suất phun sương 300ml/ phút Máy bơm mini kết nối trực tiếp với khối điều khiển hệ thống thông qua việc đóng ngắt rơle điện tử để nhận lệnh từ khối điều khiển máy bơm hoạt động phù hợp để lượng nước hệ thống vòi phun ứng với loại rau mầm yêu cầu người sử dụng 3.3 Hệ thống điều chỉnh ánh sáng cho thiết bị trồng rau mầm [4], [5] Đối với từ loại mầm, thông số ánh sáng quan trọng cho việc sinh trưởng phát triển rau mầm Ví dụ, với ánh sáng màu xanh dương (bước sóng khoảng 430 nm – 450 nm) cho phép cryptochromes phototropins phản ứng trồng; Ánh sáng màu xanh (bước sóng khoảng 500 nm – 550 nm) khơng có tác dụng quang hợp cho cây, loại thường trộn tỷ lệ nhỏ với ánh sáng xanh dương ánh sáng đỏ để tạo ánh sáng tổng hợp cho mắt người dễ quan sát; Ánh sáng đỏ (bước sóng 600 nm – 680 nm) loại bước sóng quan trình quang hợp, hoa, đậu Được dùng để mở rộng chu kỳ ánh sáng, kích thích hoa cho dài ngày (cây Thanh Long,hoa Lay Ơn,…) ngăn chặn hoa ngắn ngày (Hoa cúc…) Tuy nhiên lượng ánh sáng lại tùy thuộc vào nhiều yếu tố loại hạt giống, điều kiện khí 43 Lê Hồng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN hậu vùng miền theo mùa… Các loại rau khác có nhu cầu ánh sáng khác Tuy khơng phải lúc người dùng kịp thời điều chỉnh ánh sáng phù hợp cho rau Với thiết kế máy tự động điều chỉnh để tăng cường ánh sáng cho loại rau mầm khác nhau, giúp tiết kiệm thời gian mà đảo bảo điều kiện cho rau mầm Bức xạ ánh sáng ảnh hướng đến giai đoạn phát triển rau Đèn sợi đốt tăng cường ánh sáng nhiệt độ ban đêm cho 204(11): 39 - 45 chuyên dụng để giữ nước nuôi mầm phát triển Có thể sử dụng nhiều lần Kích thước: 30*20 cm; túi= 100 tờ Hình 14 Khay làm giá đỗ Hình 12 Bóng đèn hệ thống điều chỉnh ánh sáng 3.4 Các thành phần khác thiết bị trồng rau mầm Hình 15 Giấy ươm hạt rau mầm - Khay trồng minh họa Hình 13 Hình 14: Hình 13 Khay trồng rau mầm Khay hình chữ nhật, đáy khay dạng nan giúp nước tốt dễ dàng cọ rửa Đi kèm gồm 18 khay gieo hạt, tầng khay, khay tối đa 50gr hạt rau, 100gr hạt đậu đỗ loại Kích thước 30x40 cm Như với 2-3 khay trồng đáp ứng đủ khay rau mầm có đủ rau ăn luân phiên tuần - Giấy giữ ẩm: Giấy ươm hạt loại khăn giấy cao cấp có độ bền độ thấm hút cực tốt 44 Hình 16 Thiết bị trồng rau mầm tự động ICTU_ASM_2019 hoàn chỉnh http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Lê Hoàng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 204(11): 39 - 45 3.5 Kết trồng rau mầm thiết bị trồng rau mầm tự động ICTU_ASM_2019 sử dụng chất kích thích, thuốc hay loại phân bón Hình 16 Hình 17 thiết bị trồng rau mầm hoàn chỉnh kết sản phẩm mầm rau muống hạt, mầm đỗ mầm cải xanh trồng thực nghiệm thiết bị ICTU_ASM_2019 - Rau mầm phát triển hồn tồn nhờ nước oxy nên đảm bảo tuyệt đối sạch, đảm bảo tốt vệ sinh an toàn thực phẩm - Động thiết bị hoạt động êm ái, không ồn, không rung không gây phản ứng với môi trường - Thiết bị giúp cung cấp loại rau mầm khơng sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu hay chất kích thích nào, đảm bảo an tồn cho người sử dụng, qua giảm thiểu nỗi lo lắng vấn đề rau sạch, có bữa ăn ngon miệng gia đình - Tiết kiệm thời gian chi phí bảo hành, sửa chữa, công suất thấp, tiết kiệm điện năng, phù hợp với nhiều đối tượng người sử dụng Hình 17 Mầm rau muống hạt; mầm đỗ mầm cải xanh Thiết bị trồng rau mầm tự động ICTU_ASM_2019 Kết luận Kết thử nghiệm sau thời gian vận hành cho thấy máy hoạt động ổn định, trồng loại rau mầm khác - Sản phẩm đề tài sau hồn thành có cấu tạo đơn giản, dễ dàng sử dụng - Sản phẩm có thiết kế phù hợp với không gian đô thị, không chiếm nhiều diện tích - Thiết bị hoạt động thiết kế, lập trình sẵn, hoạt động hồn tồn tự động, khơng cần nhiều chăm sóc người, không http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sahu, C K., & Behera, P., A Low Cost Smart Irrigation Control System, In ICECS 2015 (pp 1146–1152), 2015 [2] Andrew Miller, Arduino For Beginners, Makerspaces, 2017 [3] Parameswaran, G., & K Sivaprasath, “Arduino Based Smart Drip Irrigation System Using Internet of Things”, International Journal of Engineering Science and Computing, 6(5), pp 5518–5521, 2016 [4] Sharmin Akter and PinkiRani Mahata, “Developing a Smart Irrigation System Using Arduino”, IJRSS-ET, Vol 6, Iss 1, pp 31-39, 2018 [5] Caetano, F., Pitarma, R., & Reis, P., Advanced System for Garden Irrigation Management, InNew Contributions in Information Systems and Technologies, pp 565– 574, 2015 45 46 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... mầm thiết bị trồng rau mầm tự động ICTU_ASM_2019 sử dụng chất kích thích, thuốc hay loại phân bón Hình 16 Hình 17 thiết bị trồng rau mầm hoàn chỉnh kết sản phẩm mầm rau muống hạt, mầm đỗ mầm. .. Hình 17 Mầm rau muống hạt; mầm đỗ mầm cải xanh Thiết bị trồng rau mầm tự động ICTU_ASM_2019 Kết luận Kết thử nghiệm sau thời gian vận hành cho thấy máy hoạt động ổn định, trồng loại rau mầm khác... loại rau mầm - Sản phẩm (thiết bị) nghiên cứu sau hoàn thành khắc phục nhược điểm máy, thiết bị ươm trồng rau mầm có thương mại hóa thị trường Phân tích, thiết kế module cần thiết cho thiết bị trồng